Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

. Полярность цепей совпадает. Справа показана только одна из цепей ДНК; пунктиром обозначены водородные связи.

ловии, что в белковой цепи в определенных положениях находятся соответствующие аминокислотные радикалы [1210].

Взаимодействие между двойными спиралями нуклеиновых кислот и полипептидными а-спиралями. Сравнительно недавно описаны примеры специфического узнавания двойных спиралей РНК и ДНК белковыми а-спиралями; мы будем обсуждать их в разд. 18.6. Детали этого взаимодействия пока не установлены; ясно, однако, что пептидные группы в нем не участвуют, так как все они остаются занятыми в системе водородных связей, стабилизирующих а-спираль (рис 18.4). В данном случае в стабилизации комплекса, по-видимому, участвуют выступающие из а-спирали боковые группы аминокислот.

Взаимодействия между белками и нуклеиновыми кислотами 423

Многие комплексы белков с нуклеиновыми кислотами обладают осью симметрии 2-го порядка. Антипараллельный Р-слой, взаимодействующий с минорными желобками А-РНК и В-ДНК, обладает собственной осью симметрии 2-го порядка, которая совпадает с осью симметрии двойной спирали нуклеиновой кислоты. а-Спираль такой симметрией не обладает. Тем не менее пара антипараллельных а-спиралей уже может удовлетворять требованиям симметрии 2-го порядка. В трех известных случаях (разд. 18.6) белки, связывающиеся с ДНК, были закристаллизованы в виде димеров (как минимум), у которых а-спирали, предположительно взаимодействующие с ДНК в области главного желобка, ориентированы антипараллельно и разнесены на расстояние ~ 30 А (см. также [1209а]). Если специфическую нуклеотидную последовательность «узнает» а-спираль, то димерная форма белка означает, что эта последовательность должна быть симметричной (палиндромной; см. дополнение 18.1). Для некоторых участков ДНК, связывающихся со специфическими белками (например, для промоторных и операторных участков, а также для участков узнавания рестриктаз и ферментов модификации), это действительно так [1211]. Во всех этих случаях белковые димеры (или тетрамеры) узнают участки двухцепочечных ДНК, обладающие симметрией 2-го порядка, которая относится не только к общей геометрии двойной спирали, но и к нуклеотидной последовательности этого участка. Точная симметрия последовательности и отклонения от нее являются весьма эффективным инструментом для тонкой регулировки взаимодействия.

18.2. МОДЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ИЗ КОМПОНЕНТОВ БЕЛКОВ И НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Рентгеноструктурный анализ кристаллов модельных комплексов мог бы дать представление о геометрии специфических взаимодействий ти-,па «нуклеотид-аминокислота». Однако, как показывают спектроскопические данные, такие взаимодействия довольно слабы (табл. 18.2). Обы-яно происходит самоассоциация компонентов, и попытки их сокристал-лизации редко приводят к успеху. Примеры удачной сокристаллизации (включая и кристаллизацию ковалентно связанных нуклеопротеинов) можно разбить по типу взаимодействия между компонентами на шесть классов.

Взаимодействия между основаниями и карбоксильными группами аминокислот. В зависимости от типа основания эти взаимодействия затрагивают либо диссоциированные, либо недиссоциированные карбоксильные группы. В случае цитозина происходит протонирование атома N3, и отрицательно заряженная карбоксильная группа при взаимодействии с цитозином выступает в роли ацептора двух водородных связей, при этом роль доноров играют группы N4—Н и N3—Н [1212-1214]. В двух комплексах с 5-бромцитозшюм основания соединяются друг с другом двумя водородными связями N4—H--N3, образуя димер, и,

424

Глава 18

следовательно, атом N3 не может быть протонирован. В этом случае образуются водородные связи (карбоксил)О—Н-•¦ Oz(цитозин) с недис-социированной карбоксильной группой присутствующего в системе производного глутаминовои кислоты [1215, 1216]. Недиссоциированные карбоксильные группы обнаружены в 5-карбокситимидине, где они связываются с группами 04 и N3—Н тимина [1217], и в нуклеозидди-пептиде, у которого концевой карбоксил взаимодействует с группами N6H и N7 аденина [1218].

Водородные связи с NH-группой индольного кольца. Индольное кольцо триптофана несет свободную NH-группу, которая в кристаллических комплексах с No-замещенными производными аденина образует водородные связи с атомами N3 [1219, 1220] и N7 [1221]. В этих кристаллических структурах обнаружен только стэкинг между основаниями, но не между основанием и индольным кольцом. Это удивительно, поскольку разностные УФ-спектры водных растворов указывают на наличие между триптофаном и 5'-фосфатами (особенно AMP и АТР) стэкинг-взаимодействия с «переносом заряда» [1222].

Стэкинг между основаниями и боковыми группами ароматических аминокислот. Будем рассматривать индол как модель боковой цепи триптофана, а тирамин-как модель тирозина. Если модифицировать основания так, чтобы были созданы условия для взаимодействия с переносом заряда, то может возникнуть стэкинг между указанными соединениями и основаниями. Это сделано для 1,9-диметиладенина (несущего положительный заряд), никотинамида и изоаллоксазина [1223-1228] в первую очередь для того, чтобы установить геометрию комплексов, которые, как показано спектроскопическими методами, играют важную роль при связывании апоферментов с коферментами [1229]. В кристаллических структурах этих модельных систем гетероциклические партнеры обычно располагаются параллельно друг другу на расстоянии не более 3,4 А. Единственный случай, когда наблюдался стэкинг между двумя «природными» компонентами, урацилом и фенилаланином,-это кристаллическая структура нуклеозидпептида 5-[М-(Ь-фенилаланил)амино]уриди-на [1230], в которой, кроме того, осуществляются взаимодействия между основанием и пептидной группой.

Взаимодействия между основанием и пептидной группой были обнаружены у упомянутого выше нуклеозидпептида [1230] и у другого синтетического соединения - 3-(аденин-9-ил)пропионамида [1230а]. В первом

Дополнение 18.1

Палиндромные последовательности

Вторичная структура тРНК («клеверный лист»), самокомплементарные участки которой могут образовывать шпильки, навела Гирера на мысль, что по-

Взаимодействия между белками и нуклеиновыми кислотами

425

добные структуры должны образовываться и в двухцепочечной ДНК [1289а], Для этого в последовательности ДНК должны присутствовать инвертированные, или «палиндромные», повторы. Благодаря наличию у палиндромов собственной симметрии 2-го порядка они могут образовывать либо шпилечные структуры простой крестообразной формы, либо более сложные образования, называемые «гиреровскими деревьями».

>gcta|gttca|CTCfrGAAC|aatt-

-cgat|caagt|gag|acttg|ttaa<

С1С

GCTA

ААТТ-

CGAT^ ^-ТТАА*

G G А

Ось симметрии палиндромных последовательностей

Впоследствии в ДНК часто находили палиндромные последовательности, длина которых в отдельных случаях достигала нескольких тысяч нуклеотидов, что составляет 3% от общей длины молекулы. Такие последовательности способствуют специфическим нуклеиново-белковым взаимодействиям (об этом говорил и Гирер) и, возможно, участвуют в процессах регуляции. Поскольку палиндромы обладают симметрией 2-го порядка, соответствующие белки должны быть как минимум димерами [1292]. Непонятно только, остаются ли палиндромные участки составной частью непрерывной двойной спирали или действительно образуются гиреровские деревья. Этот вопрос особенно интересен в случае сверхспирализованной ДНК (гл. 19), потому что гиреровские образования могут уменьшать кручение и тем самым модифицировать сверхспираль [1293-1295].

Две (или более) ветви гиреровского дерева также связаны операциями симметрии и в принципе могут объединяться, образуя четырехцепочечные спиральные структуры. Стабилизация этих структур может осуществляться путем образования водородных связей между функциональными амино- и кетогруппами уот-/юн-криковских пар оснований, расположенными со стороны главного желобка Это приводит к формированию квартетов А—Т : Т—А и G—С : С—G [1296]. Такие четырехцепочечные структуры до сих пор рассматривались главным образом в теоретических работах; экспериментальные данные по этому поводу отсутствуют, и возможная биологическая роль указанных образований неясна.

426

Глава 18

случае образуется водородная связь между группой N3H и атомом кислорода пептидной группы, а концевая аминогруппа фенилаланина NH2 взаимодействует с атомом 04 урацила. Во втором аденины спариваются (пара V на рис. 6.1) и между основанием и «пептидом» имеется только одна водородная связь: (амид)КН---^(аденин). Строго говоря, ни одно из этих соединений не образует аддукта «пептид-основание» с ожидаемой структурой. Однако геометрия комплекса позволяет понять, какие типы структур могут образовываться при узнавании белком основания.

Отсутствие взаимодействий между компонентами нуклеиновых кислот и белков. В нескольких кристаллических структурах ковалентно сшитых нуклеиново-белковых компонентов две составляющие предполагаемого комплекса вообще не взаимодействуют друг с другом [1231, 1232]. Образуется множество водородных связей с соседними молекулами и молекулами воды из гидратной оболочки, но прямые контакты между компонентами нуклеиновых кислот и белков отсутствуют.

Солевые мостики между фосфатами, первичными аминогруппами и гуанидиновыми группами (рис. 18.6). Исследования этого класса взаимодействий проводились на кристаллах фосфата или диэтилфосфата с аргинином, пропилгуанидином и путресцином (1,4-диамино-н-бута-ном) [1233-1235]. Последний представляет собой алифатический диамин, который присутствует в клетках прокариот и эукариот в качестве предшественника спермина и спермидина (дополнение 15.1), а в данном случае используется как модель концевой аминогруппы в боковой цепи лизина.

В кристаллах, полученных путем сокристаллизации путресцина с фосфатом [1234] и диэтилфосфатом [1233], каждая концевая аминогруппа образует три почти тетраэдрические водородные связи со свободными атомами кислорода фосфатов (рис. 18.6). Если рассмотреть эти данные применительно к системам, более близким к природным (таким, например, как комплекс полинуклеотида с лизином), то мы можем предположить, что аналогичным образом связывается со свободным атомом кислорода фосфатной группы концевая аминогруппа лизина, образуя при этом вторую связь с эфирным кислородом ближайшего вдоль цепи фосфата. Третья связь N—Н остается свободной и может притягивать свободный атом кислорода фосфатной группы другой полинуклеотидной цепи [1233]. Поскольку полилизин сильнее связывается с АТ-богатой В-ДНК [1236], предполагается также, что концевая аминогруппа боковой цепи лизина связывается не только с фосфатными группами, но и с атомами 04-, N3 и 02 участков АрТ или ТрА, имеющих конформацию В-спирали. Эти три акцептора водородных связей

Рис. 18.6. Схема водородных связей в комплексах диэтилфосфата с пропилгуанидином (I), аргинином (II) и путресцином (III) [1233]. Водородные связи изображены пунктирными линиями. Указано расстояние N---0 в А.

428

Глава 18

расположены именно так, чтобы могло происходить подобное взаимодействие [1234].

В случае концевой гуанидиновой группы аргинина ситуация оказывается более сложной. В комплексе с фосфатом наблюдаются отдельные взаимодействия типа NH---0 [1235], а в комплексе с диэтил-фосфатом гуанидиновая группа проявляет бидентатность, образуя водородные связи одновременно с двумя фосфатами (рис. 18.6). Можно ожидать, что в комплексах аргинина с нуклеиновыми кислотами будут преобладать бидентатные (сильные) взаимодействия; было высказано предположение, что гуанидиновая группа может образовывать поперечные сшивки между спиралями ДНК в волокнах комплексов ДНК с полиаргинином и ДНК с протамином [1233].

Все эти исследования нуклеиново-белковых модельных систем показывают, что солевые мостики между аминогруппами лизина или гуа-нидиновыми группами аргинина и атомами кислорода фосфатных групп довольно прочны. Относительно прочными являются также связи, которые образуются в комплексах «с переносом заряда». Однако для того, чтобы водородные связи, гидрофобные взаимодействия или стэкинг играли роль в нуклеиново-белковых системах, взаимодействие между нуклеотидами и белковой поверхностью или между двойной спиралью и белковым Р-слоем или а-спиралью должно носить кооперативный характер.

18.3. МОДЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ИЗ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ И СИНТЕТИЧЕСКИХ ПОЛИПЕПТИДОВ ИЛИ ПРОТАМИНОВ

Исследование этих систем опирается главным образом на спектроскопический и рентгеноструктурный анализ волокон, и только в одном случае-для комплекса протаминов с тРНК-использовались не волокна, а монокристаллы. Все попытки закристаллизовать комплексы олиго-мерных нуклеиновых кислот с пептидами до сих пор оказывались безуспешными, поэтому детальные данные о геометрии специфических взаимодействий между этими двумя типами модельных соединений пока отсутствуют (о взаимодействии полиаминов со спиральными участками тРНК см. разд. 15.6).

Полиаргинин и полилизин взаимодействуют с фосфатными группами полинуклеотидов по-разному. Поскольку синтетические гомополимеры, такие, как полиаргинин и полилизин, по своей основности очень похожи на протамины (дополнение 18.2) и гистоны (дополнение 19.1), их часто используют в качестве модельных соединений при изучении взаимодействия между положительно заряженными боковыми группами аминокислот и фосфатными группами полинуклеотидов [1164, 1192, 1195, 1237-1241].

Образование комплекса ДНК с полилизином или полиаргинином-это кооперативный и необратимый процесс [1192, 1239]. Боковые группы полипептидов полностью компенсируют заряд фосфатных групп, что

Взаимодействия между белками и нуклеиновыми кислотами 429

Рис. 18.7. Модель комплекса В-ДНК с протамином, построенная на основании дифракционных данных для волокон [1243]. Полипептид располагается в минорном желобке так, что положительные заряды соседних аминокислотных боковых групп смотрят в разные стороны и нейтрализуют отрицательные заряды фосфатов обеих цепей ДНК.

при соответствующих концентрациях приводит к образованию коацер-йатов. В случае комплекса ДНК с полилизином наблюдается конденсация стержнеобразных и тороидальных структур, которые будут рассмотрены в разд. 19.1 [1242]. Во всех таких комплексах (даже в комплексах с короткими олигопептидами) температура плавления РНК и ДНК повышается [1239], что указывает на увеличение стабильности двойной спирали из-за экранировки зарядов.

Что касается структуры комплексов, то на основании рентгеновских данных для волокон можно заключить, что полипептид располагается в минорном желобке ДНК в растянутом виде и, чтобы нейтрализовать отрицательный заряд фосфатных групп сразу обеих цепей, направляет свои боковые группы то в одну, то в другую сторону (рис. 18.7) [1239, 1243, 1244].

В комплексах полилизина с ДНК соотношение между молярными концентрациями нуклеотида и лизина равно 1 :1 [1192, 1239]. Для комплексов с РНК и синтетическими полимерами, такими, как poly (A)-poly (U) и poly(A)-2poly(U), это соотношение равно 3:2, а для комплекса poly (i)-poly (С)-2:1 [1239]. Такое различие, по-видимому, обусловлено образованием поперечных сшивок

страница 51
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79

Скачать книгу "Принципы структурной организации нуклеиновых кислот" (9.68Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(23.08.2019)